In order to successfully simulate the crushing process of iron ore in a gyratory crusher, it is crucial to precisely model the iron ore based on the bonded-particle model, this requires reasonably calibrated micromechanical parameters in the model. In this study, a calibration method for iron ore BPM bonding parameters was proposed. Firstly the combination of the design of experimental method and discrete element simulation tests was used to investigate the effects of normal stiffness per unit area, shear stiffness per unit area, critical normal stress, and critical shear stress on the compressive strength and critical strain properties of the BPM. Furthermore, a fitted mathematical model between micro-mechanical parameters and macro-mechanical property parameters of iron ore was established. According to this, a bonding parameter calibration method based on Kriging surrogate model for the iron ore bonded-particle model is proposed. Finally, the micromechanical parameters of the calibrated actual iron ore bonded-particle model were verified by simulation test, which confirmed the accuracy and reliability of the proposed method and provided a new idea for the subsequent related research.

This article summarizes the research significance and the development status of the unmanned ground tracked vehicles (UGTVs). According to the speed and steering principle of the UGTVs in plane motion, the kinematic state space equation of the vehicle is established. Based on the model predictive control (MPC), the UGTVs trajectory tracking controller is also established. After introducing the overall control system solution, based on the vehicle model, the track speed on both sides is used as the control input to solve the predicted output of the system. After constraining the control amount, the model prediction controller is established by using S function. Several simulations with different preset speeds are performed under linear conditions, and the numerical simulation with different prediction time domains and control time domains are performed under continuous curves. The test validates the effectiveness of the controller, and the effects of speed and time domain parameters on the deviation are analyzed based on the results. Based on satellite positioning technology, trajectory tracking tests of the UGTVs are carried out. After analyzing the positioning principle and common errors, the real-time kinematic technology is used to improve the positioning accuracy of the vehicle prototype. The hardware of the test platform includes a data acquisition system, a control execution system and a walking execution system, and the software part includes data processing and optimization control. The trajectory tracking experiments under different driving conditions are conducted, and the results show that the navigation tracking system can achieve good tracking performance. © 2023 by the authors.

对影响立式螺旋搅拌磨机工作性能的主要结构及特征参数进行了分析研究，提出了关键工作参数选择方法。基于离散元方法，建立了立式螺旋搅拌磨机的仿真模型，分析了主轴转速、搅拌器导程和研磨介质尺寸分布对磨矿性能的影响。并提出了综合磨矿性能指标，对各参数进行正交试验，得到了磨矿效果的量化值，进而得到了在特定权重系数下的最优工作参数组合，为磨机的优化设计提供了参考方法。

六履带行走装置担负着斗轮挖掘机、排土机和移动式破碎站等大型机械的承重、移动与转向行走,其行驶特性直接影响斗轮挖掘机的工作安全性和工作效率,对多履带机械行驶理论、机电耦合动力学及卫星导航技术进行研究,以完善多履带机械设计方法,提高其轨迹可控性并实现其自适应行驶是采矿装备大型化发展急需解决的关键课题。本文结合国家自然科学基金项目“多履带车辆机电耦合动力学及自适应控制”（No.51775225）和校企合作项目对六履带机械机电耦合动力学及卫星导航控制技术进行了研究,通过对六履带机械行驶力学分析,建立了六履带行走装置机电耦合动力学模型,进行了六履带机械行驶性能仿真,并通过试验对机电耦合模型及数值求解方法进行了验证;介绍了基于RTK的卫星导航原理,搭建了六履带机械路径跟踪控制系统试验平台,通过多种行驶工况以及不同初始偏差的实际追踪数据,验证了基于RTK卫星导航路径跟踪控制系统的控制效果。首先介绍了多履带行走装置的结构特点和驱动方式,综述了国内外有关多履带机械行驶动力学分析、机电耦合动力学、卫星导航控制以及履带车辆模糊PID控制方法的研究现状;结合六履带机械行走装置的结构特点和运动特性,建立了其直线行驶、稳态转向和非稳态转向的力学方程,并给出了数值求解方法。建立了三相异步电机的动态方程,分别建立了六履带机械直行工况与转向工况下的机电耦合动态方程,并通过数值计算分析了不同工况下履带机电参数的变化规律,分析了履带结构参数、驱动参数对行驶性能的影响。对六履带斗轮挖掘机的电机参数进行试验测试,验证了理论分析结果的正确。为实现对六履带机械典型行驶工况机电性能参数的计算和评价,开发了六履带机械行驶性能分析平台,该平台可分析不同履带布置方式、履带驱动形式对六履带机械稳态、非稳态转向特性的影响,计算相应的机电参数,并根据设计要求提供合理的六履带行走装置合理的结构参数。介绍了基于RTK的卫星定位导航原理,设计了六履带机械卫星导航径控制系统,以六履带机械实际行路径与预设路径之间的距离偏差和航向角偏差作为模糊PID控制器的输入,并根据机械的控制需要制定模糊规则,控制六履带机械转向履带组偏转角度和各条履带行驶速度,实现路径跟踪控制。建立了六履带机械虚拟样机模型,通过联合仿真分析了六履带机械直线行驶和曲线行驶工况下控制器对六履带机械的路径跟踪控制效果。结果表明,模糊PID控制器对六履带机械的路径跟踪控制具有良好的控制效果,六履带机械的实际行驶路径能够快速的收敛至预设路径,且进入稳定行驶时距离偏差和航向角偏差均保持在较小的范围内,满足自主导航的行驶的要求。为了进一步验证六履带机械卫星导航控制系统的控制效果,基于RTK导航技术,设计了六履带车辆卫星导航控制试验系统,主要由六履带试验样机、数据采集及处理系统、基于RTK导航的路径跟踪系统以及计算机控制系统组成,利用卫星定位信息获得预设路径导航线的轨迹。基于模糊PID控制方法,分别分析了试验样机实际行驶路径与预设路径之间的距离偏差和航向角偏差,试验结果验证了卫星导航控制系统具有较好的控制效果。综上所述,本文建立了六履带机械行驶力学模型及电耦合动力学模型,并通过试验进行了验证。开发了六履带机械行驶性能分析平台及基于卫星导航的六履带机械路径跟踪控制系统。论文的研究工作为完善六履带行走装置设计理论及提高六履带机械行驶的智能化水平提供了参考。

履带车辆因其较好的通过性与机动性能常应用于丘壑、碎石、野地等非道路环境,其安全高效的作业对驾驶人员的要求较高;此外,在危险的施工环境需要无人操纵。论文结合国家自然基金项目“多履带行走装置机电耦合动力学及自适应控制”（No.51775225）,对履带车辆的路径规划与轨迹跟踪展开研究,提高车辆智能行驶水平,从而减少对操作人员的依赖。本文综述了智能履带车辆的研究意义与发展现状,包括讨论路径规划常用算法及优缺点,分析轨迹跟踪技术的探索历程与研究成果,论述模型预测方法的应用与控制优势,介绍导航定位常用方法与应用领域。对履带车辆的路径规划开展研究,基于栅格法建立履带车辆工作环境的栅格地图,这是实现路径规划与轨迹跟踪的模型基础;以路径最短为搜索原则,引入A*算法进行迷宫工况、随机地图与不规则障碍物等六个全局地图下的最优路径规划;使用三次B样条曲线,对已获得路径的转折尖峰点进行平滑处理。实验结果证实了路径规划算法的合理性与样条曲线平滑尖点的有效性。根据履带车辆平面运动时速度与转向原理建立车辆的运动学状态空间方程,建立基于模型预测控制方法的履带车辆轨迹跟踪控制器。介绍控制系统整体方案后,基于车辆模型将两侧履带速度作为控制输入求得系统的预测输出,对控制量加以约束后使用S函数建立模型预测控制器。开展不同预设车速的直线工况仿真,不同预测时域与控制时域的连续弯道数值模拟,以验证控制器的有效性并分析速度与时域参数对偏差的影响。基于卫星定位技术,进行履带车辆样机的轨迹跟踪试验。分析导航定位原理与常见误差后,基于载波相位差分技术提高车辆样机的定位精度。试验平台硬件上包括数据采集系统、控制执行系统与行走执行系统,软件上包括数据处理与优化控制部分。开展不同行驶工况的轨迹跟踪试验,结果表明导航跟踪系统能够实现较好的跟踪效果。

Feasible region detection is a critical problem in the field of intelligent driving. To solve the problem that the feasible region of vehicles is difficult to identify in the unstructured environment, a detection method based on the improved Random Sample Consensus (RANSAC) algorithm and Pyramidal Stereo Matching Network (PSMNet) is proposed in this paper. To overcome the influence of the complex environment and weather on the detection results, the 3D point cloud of the detection region is established to restore the actual scene. In contrast to the traditional stereo matching algorithm, the disparity map is obtained by the deep learning method PSMNet. Therefore, the 3D reconstruction of the detection region can be realized more accurately. Subsequently, the method of point cloud selection in RANSAC is redefined by constructing the k-dimensional tree (kd-tree) and using radius space density. Finally, the detection results of the feasible region are obtained by the improved RANSAC. It is tested in a variety of scenarios in complex environments and weather. The results demonstrate the high environmental adaptability and stability of the detection method. And compared with another method Segformer, the comparison results indicate that the method is effective in detecting road scenes under multiple weather conditions. © 2023, The Author(s), under exclusive licence to Springer Science+Business Media, LLC, part of Springer Nature.

作为露天矿山重要的挖掘装备,机械式挖掘机广泛应用于矿山剥离与采装作业。由于目前机械式挖掘机完全依赖人工操作,复杂的挖掘条件和恶劣的工作环境容易导致操作员疲劳,导致机械式挖掘机存在作业效率低、能耗大、故障频繁等问题。因此,为提高机械式挖掘机在矿区的挖掘作业效率同时降低挖掘能耗,自主作业技术已成为国内外的研究热点。不同的挖掘过程对应着不同的挖掘轨迹,以高效、节能为目标的最优挖掘轨迹规划是实现机械式挖掘机自主作业的一项基础性技术。本文结合国家自然基金课题“多履带行走装置机电耦合动力学及自适应控制”（No.51775225）、山西省煤基重点科技攻关项目（MJ2014-02）和国家自然基金课题“非结构环境下工程车辆自主作业关键技术研究”（No.51875232）,对机械式挖掘机的最优挖掘轨迹规划方法进行了系统的研究。以国产WK-55型号机械式挖掘机为研究对象,建立并验证了工作装置的动力学模型,在此基础上,提出了斗内累计挖掘质量的预测方法;通过在平朔矿区对WK-55型机械式挖掘机的实际挖掘性能进行测试,对其作业模式和挖掘性能参数进行了测试与分析;基于动力学模型和挖掘理论,参考机械式挖掘机的实际作业模式,提出了分两阶段进行最优挖掘轨迹规划的方案,并通过离散元-多体动力学联合仿真的方法对理论优化挖掘轨迹的性能进行了验证。在综述国内外机械式挖掘机最优挖掘轨迹规划方法研究成果的基础上,结合其他铲掘装备如液压挖掘机、装载机等机型的作业特点,分析并讨论了与挖掘轨迹规划相关的动力学建模方法、在线称量技术以及基于虚拟样机的联合仿真技术的优势与不足,提出了适用于机械式挖掘机的最优挖掘轨迹规划方法的研究方案。基于D-H变换和达朗贝尔原理,建立了机械式挖掘机工作装置的刚体动力学模型,结合驱动电机的机电耦合特性,构建了工作装置的机电耦合动力学模型。为验证所建立的动力学模型的可靠性,设计并制造了机械式挖掘机缩比模型,建立了对应的控制和数据采集系统,进行了高速、中高速、中低速和低速四种工况下的挖掘试验,通过对比测试数据和数值计算结果,发现挖掘轨迹之间的相关系数大于0.99,功率之间的相关系数大于0.85,从而验证了所建立动力学模型的正确性。在验证动力学模型的过程中,发现通过动力学模型预测挖掘过程中斗内物料累计质量的效果不理想。基于静力平衡条件,提出以提升力和挖掘姿态参数为输入量对挖掘结束时斗内物料质量进行预测的方法,通过缩比模型试验验证了该方法的有效性,对提高机械式挖掘机物料在线称量技术的精度具有较高的实用价值。根据挖掘轨迹规划的需要,基于激光雷达测距技术,提出了物料堆积坡度识别方法以及装备与料堆相对距离感知方法。为了使得挖掘轨迹规划更具实际意义,对在平朔安家岭矿区服役的WK-55型机械式挖掘机的实际挖掘性能进行了现场测试,通过对实测数据进行分析,对挖掘机作业模型和性能边界进行了归纳于整理。以机械式挖掘机实际作业模式为参考,结合挖掘条件,基于动力学模型和挖掘理论,以最高单位挖掘效率和最低单位挖掘功耗为目标,提出了通过两阶段优化实现挖掘轨迹规划的方法。为了对理论优化的效果进行验证,采用离散元-多体动力学联合仿真的方法,使用WK-55型机械式挖掘机的整机虚拟样机模型,对变加速条件下的最优挖掘轨迹进行了仿真试验。通过对五种不同挖掘工况下的仿真挖掘性能和理论计算值进行比较分析,验证了理论计算结果,说明了优化方法的有效性。本文建立了全面分析机械式挖掘机挖掘性能的工作装置机电耦合动力学模型,提出了具有较高精度的斗内物料累计质量在线称量方法,基于激光雷达测距技术对挖掘条件进行建模,结合矿区实测数据对机械式挖掘机作业模式和性能边界进行了总结分析;结合动力学模型、挖掘条件和装备作业模式,提出了一种两阶段最优挖掘轨迹规划方法,并通过离散元-多体动力学联合仿真的方法验证了该方法的有效性。本文对机械式挖掘机最优挖掘轨迹规划方法进行了较为深入的研究,为机械式挖掘机自主挖掘技术的开发提供了参考,对于提高机械式挖掘机智能化水平具有重要意义。

本文针对移动式破碎站中双齿辊破碎机设计流程繁杂、设计周期长、设计成本高等问题,结合山西省煤基重点科研项目“大型移动式破碎站关键技术研究（MJ2014-02）”和国家自然基金“多履带行走装置机电耦合动力学及自适应控制（51775225）”对移动式破碎站中的双齿辊破碎机及其传动系统进行数字化平台研究分析。首先在查阅国内外相关文献的基础上,综述了破碎理论、破碎技术以及齿轮传动系统可靠性优化设计的研究现状。根据双齿辊破碎机的工作原理和结构特点,利用Visual Basic 6.0作为SolidWoks二次开发工具搭建了双齿辊破碎机参数化建模平台,并根据生成的几何模型尺寸参数对生产能力进行初步计算,结果表明满足设计要求。然后利用生成的几何模型作为研究对象,建立了适用于双齿辊破碎机的物料破碎的数学模型。最后将满足设计要求的入料粒度分布带入到模型中进行计算得到物料破碎后的产品粒度分布,结果显示与设计要求非常符合。运用单轴压缩试验和巴西圆盘试验对物料模型的凝结参数进行了标定,并用标定的参数在EDEM中建立了双齿辊破碎机的DEM模型。提取了仿真模型的生产率,结果表明满足设计要求。提取并分析了齿辊受力情况,并通过转换公式计算出来破碎功率,和理论计算结果非常吻合。提取并分析了同一齿环不同辊齿的受力情况,分析发现每个辊齿的峰值载荷非常接近,峰值载荷时的辊齿位置几乎完全相同（齿辊位置角度差别在-1°~1°之间）,基本全部在两齿辊中轴线所在平面的中间位置。建立了齿环的EDEM-ANSYS Workbench的耦合仿真模型,提取并分析了同一齿环不同辊齿的变形云图、应力云图、应变云图以及载荷云图,结果表明辊齿满足强度刚度的设计要求。编写了一套针对不同齿线形状的锥齿轮都通用的齿面接触强度和齿根弯曲强度的可靠性计算程序,采用遗传算法对锥齿轮传动系统进行可靠性优化设计并利用MATLAB软件将整个可靠性优化计算过程编写成程序代码,并最终包装生成程序文件。然后以第2章设计的双齿辊破碎机的锥齿轮为几何模型,以第3章DEM仿真结果作为载荷条件进行了锥齿轮可靠性优化设计。最后介绍了蒙塔卡罗求解齿轮可靠度的方法,并对上述优化结果得到的可靠度进行了验证分析。本文开发了双齿辊破碎机参数化建模的设计平台,建立了双齿辊破碎机的破碎物料的数学模型,基于DEM建立了双齿辊破碎机的离散元仿真模型,利用EDEM-Workbench耦合仿真对辊齿的强度和刚度进行校核分析,为提高双齿辊破碎机的设计工作提供了参考。本文采用MATLAB的GUIDE模块搭建了锥齿轮可靠性优化设计的分析平台,为双齿辊破碎机齿轮传动系统的设计和可靠性优化分析提供新的设计思路。

无齿轮磨机是当今矿山设备大型化、节能化发展趋势下的产物,具有大功率、效率高、耗能少、可靠性强的优点。本文在国家自然科学基金项目“多履带行走装置机电耦合动力学及自适应控制”（No.51775225）的支持下,对无齿轮磨机驱动的关键技术进行了研究,对驱动用电机进行结构和电磁设计;搭建了无齿轮磨机驱动的矢量控制系统,对其调速性能与抗负载扰动能力进行分析;建立了无齿轮磨机的机电耦合模型,并对仿真结果进行了理论验证。首先综述了无齿轮传动技术、交流电机矢量控制和机电耦合问题的国内外研究现状。对比不同驱动电机的特点,选择永磁同步电机作为无齿轮磨机驱动用电机,并结合无齿轮磨机驱动的结构组成,对其转子结构、定子结构与定子绕组进行了初步设计。系统地分析了磨机工作状态下介质的运动状态,对磨机工作参数的理论计算方法进行了推导,为本文的仿真分析提供理论基础。结合二维电磁场及有限元法的基本原理,建立了无齿轮磨机驱动用永磁同步电机的二维电磁场有限元模型。通过对电机齿槽转矩的产生机理进行分析,选取极弧系数与磁钢偏心距为参数进行优化。研究表明,优化后的永磁磁极结构对电机的齿槽转矩有明显的削弱作用,可以有效改善其引起的振动、噪声等问题。以此为基础在Maxwell2D中分析了电机空载性能参数及负载运行特性,证明无齿轮磨机驱动用永磁同步电机设计的合理性。推导并建立了无齿轮磨机驱动用永磁同步电机的状态方程与数学模型,系统地介绍了永磁同步电机的矢量控制原理与SVPWM算法,并在MATLAB/Simulink中搭建了无齿轮磨机驱动矢量控制系统,完成了转速和负载突变工况的仿真分析。结果表明,基于id=0的矢量控制策略的无齿轮磨机驱动系统的调速性能和抗负载扰动能力较好,可以应对磨机不同工况下的转速需求与动态给、排料对驱动系统的影响。为了获得无齿轮磨机驱动在更接近实际运行条件下的性能,利用多体动力学软件RecurDyn建立了无齿轮磨机筒体的离散元-动力学虚拟样机模型,通过软件间的接口,完成了无齿轮磨机驱动机电耦合的RecurDyn-Simulink仿真模型的搭建。由磨机启动过程的仿真结果,对介质运动状态与驱动系统性能进行了分析。将仿真结果与理论计算值进行对比,验证了机电耦合仿真模型的正确性。本文建立了无齿轮磨机驱动用永磁同步电机的二维电磁有限元模型,优化永磁体参数有效削弱了电机齿槽转矩。设计了无齿轮磨机驱动矢量控制系统,并搭建了机电耦合仿真模型。论文的研究方法可以为无齿轮磨机驱动关键技术的研究提供参考。

The mobile crushing station is one of the main equipment of the semi-continuous open-pit mining system. The discharge arm and the receiving equipment are manually aligned, which has the problems of long alignment time and low alignment accuracy, which affects the working efficiency of the mining system. According to the development and application of space rendezvous and docking technology at home and abroad, the advantages and disadvantages of different measurement methods are compared and analysed, and the method of applying binocular measurement technology to system positioning in the automatic alignment system of the discharge arm is determined. There are three movements in the mechanical part of the designed discharge arm alignment control system, including the rotary motion of the visual measurement mechanism and the horizontal rotation and telescopic motion of the discharge arm. According to the kinematic analysis and binocular vision measurement theory, the deviation model of the alignment control of the discharge arm is established. A binocular vision measurement and localization method based on the combination of stereo calibration and template matching is proposed, which achieves surprising measurement accuracy. An automatic alignment method of the discharge arm of the mobile crushing station is proposed based on the binocular vision and fuzzy control method. Its validity is verified by simulation and experiment. The strategy of motion decomposition is applied to the alignment system to avoid unnecessary motion of the discharge arm. The research results all show that the alignment method can achieve the angle deviation within +/- 0.5 degrees, the distance deviation within +/- 15 mm, and the test alignment time is about 5 minutes, which is better than other alignment control models; the alignment accuracy and the alignment time are improved by more than 50%. The method can control the discharge arm to complete the alignment task quickly and smoothly, which lays a foundation for the further automatic research of the discharge arm.